煤矿内因火灾防治方法及其有效性分析.doc

煤矿内因火灾防治方法及其有效性分析 贾海林1,余明高1,李定启1,张建民2,贾跃荣2 1.河南理工大学资源与材料工程系,河南焦作 454003; 2.神华集团北京遥感公司,北京 100085 摘要介绍了煤矿中煤自然发火的一般规律,并分析了技术方法防灭火、均压防灭火、黄泥灌浆防灭火、氮气防灭火、凝胶防灭火等几种常用的预防内因火灾的防灭火方法;同时,对这些方法的防灭火有效性进行了分析,提出了实施这些方法的注意事项,以期能更好地预防煤自燃,从而更好地为矿井安全生产服务. 关 键 词煤自燃;内因火灾;防灭火技术;有效性分析 中图分类号TD 75212 文献标识码A 文章编号1007Ο7332200501Ο0009Ο04 0 引 言 我国煤炭资源丰富,可在我国近600个统配与重点煤矿中,存在自然发火危险的矿井达300多个,自然发火煤层占累计可采煤层的60[1].煤自燃已成为一种严重的灾害问题一方面煤自燃造成大量的煤炭资源损失和机械设备的损耗;另一方面煤自燃又威胁着井下工人的生命安全.为此,本文将介绍我国近年来常用的预防内因火灾的防治方法,并结合实际进行防灭火的有效性分析.1 井下煤自然发火的一般规律 1影响煤自燃的因素很多,诸如地质条件、采煤方法、通风方式、煤自燃特性以及与周围环境的热交换条件等.但可归纳为两类一类是影响外界供氧的因素,另一类是影响煤炭自身与氧反应的因素[2].这就为研究煤炭自燃及防灭火提供了理论依据. 2据资料,矿井自然发火按地点统计,采空区占50以上,其次为掘进顺槽、封闭采空区内,这主要是由于受采动及矿压的影响,使煤壁产生裂隙和破碎,易于氧化升温,造成自然发火. 3为便于分析问题,把采空区划分为三 带以“U ”型通风系统为例,按漏风大小和采 空区浮煤发生自燃的可能性把采空区划分为三 带散热带Ⅰ宽度为L 1、自燃带Ⅱ宽度 为L 2和窒息带Ⅲ,见图1所示[3]. 2 常用的防灭火方法 211 技术方法防灭火 利用已有的开采技术,在矿井设计、建井和 生产管理的各个环节之中,采取一系列有效的技 术措施来控制自燃因素的产生与发展,借以达到 收稿日期2004Ο05Ο12; 修回日期2004Ο11Ο08 基金项目国家自然科学基金项目50274061;国家“863”项目2003AA131100-02-06. 作者简介贾海林1980Ο ,男,河南临颖人,从事火灾成灾机理及其防治研究.E -mail jiahailin .第24卷第1期2005年2月 河南理工大学学报JOURNAL OF HENAN POL YTECHN IC UN IV ERSIT Y Vol 124 No 11Feb.2005 增强矿井潜在的防灭火能力.实践证明,最小的煤层暴露面、最大的煤炭回收率、最快的回采速度、易于隔绝的采区及合理的开采顺序,对于防止煤自燃起决定性作用[2].岩石巷布置、无煤柱开采技术等均是技术方法防灭火措施.这些措施都可以让煤与氧少接触,从而降低煤自然发火的可能性.然而在我国煤矿的实际开采中,由于采空区留有大量的浮煤和含煤矸石以及同时具备向采空区漏风的条件,这就为煤自然发火创造了条件.例如在最短自然发火期为20天左右的综采放顶煤工作面其回采率一般不超过60,由上述可知其回采工作面的自然发火率很大,如果发生了运输机上窜,支架倾斜甚至倒塌,从而影响工作面的推进度,这就可能在采空区出现高温点,使自燃带见图1所示的浮煤处于极易自然发火的危险状态,给矿井安全生产带来威胁.如2004年2月,义马煤业集团的千秋矿就曾发生此类事件,由此可以看出,在没有找到采空区高温点的确切位置即不能直接灭火时,只有加快推进来甩掉高温点的技术方法存在不足之处,也说明了为使矿井安全生产还要为其准备其他的防灭火措施,如采用均压防灭火、黄泥灌浆防灭火、注惰性气体防灭火、凝胶防灭火等. 212 均压防灭火技术 均压防灭火技术最早出现于20世纪20年代的英国采矿业,50年代初由波兰学者汉・ 贝斯特朗从理论上给予阐述,并主要用于加速封闭火区的熄灭,60年代一些采煤技术发达的国家竞相采用.与此同时,我国的一些矿区也开始应用.其防灭火机理是通过增压或降压调节,降低漏风压差,杜绝或减少漏风,破坏煤自燃和火灾持续的条件[4].根据使用条件的不同,可分为开区和闭区均压两大类.值得说明的是,这种方法适合于低瓦斯矿井的内因火灾,在高瓦斯矿井中要慎用. 213 黄泥灌浆防灭火技术 20世纪50年代,我国开始研究并在煤矿中推广黄泥灌浆防灭火技术,之后将此项措施写入煤矿安全规程,且在全国得到推广,有效地防止了井下煤自燃. 黄泥灌浆的阻燃机理主要是隔绝空气,阻止煤炭氧化,并吸热降温[5].具体地说就是将具有一定粘性,覆盖和包裹能力较强的泥浆灌注在采空区浮煤堆中,隔断空气,同时黄泥浆还能增加浮煤的充填密度,减少漏风供氧.按灌浆方法分为采前预灌、随采随灌和采后封闭灌浆. 采前预灌即在工作面尚未回采前对其上部或周围的采空区进行灌浆,多用于有小煤矿破坏的自燃特厚煤层.随采随灌即在工作面回采的同时,向采空区灌注浆液.其作用一是防止浮煤自燃,二是起降尘、降温的作用.根据巷道布置和采空区岩石冒落状况的不同,又可采取钻孔灌浆,埋管灌浆.对于其中的埋管灌浆就是沿工作面回风巷在采空区内预先铺好灌浆管,预埋管和支管之间用高压胶管连接,放顶后开始灌浆,并 随工作面的推进前移[6]. 但埋管灌浆往往会影响正常 生产,如会使工作面积水, 还可能造成溃浆事故,这会 影响工作面的推进度,对自 然发火期短的矿井是不合适 的.如果采用顶板高位钻孔 灌浆见图2所示,就会 克服这些缺陷,而且其防 灭火效率也会提高. 214 氮气防灭火技术 20世纪80年代起,我国开始研究并在煤矿中推广氮气防灭火技术.在“八五”期间,成功研制出世界上第一套井下移动式制氮装置膜分离制氮装置,并在兖州矿区成功应用;“九五”期间,兖州矿区又将注氮防灭火技术应用于无煤柱开采的矿井[6].据资料介绍空气中氧含量降低到10以下就会失去氧化作用,从而可以防止采空区煤炭的自然发火.氮气防灭火就是把氮 1 河南理工大学学报自然科学版 2005年第24卷 气注入到有自燃倾向的采空区或火区,从而使自燃危险带内的浮煤因为氧含量不足而不能氧化自燃,或使火区因氧浓度不足而将火源熄灭.同时,注氮可降低瓦斯与空气爆炸混合气体的比例,从而起到抑爆作用. 215 凝胶防灭火技术 凝胶防灭火方法是近年来开展的新型矿井内因火灾防治技术.该方法所使用的化学凝胶是一种高水凝胶材料,是由基料、促凝剂、增强剂和水混合凝胶而成.其防灭火机理是通过钻孔把高水凝胶注入高温区后,高水凝胶会对周围煤体起到保湿降温作用,同时在煤体孔隙形成胶体,包裹煤体,起到覆盖窒息、防止煤氧化反应和堵漏风的作用.其使用方法有冒顶区充填注胶;开切眼安装时架后煤体注胶;开采时架后采空区注胶和工作面采后密闭注胶[7]. 3 各种方法防灭火的有效性分析 1对于技术方法防灭火措施,只要提高回采率、优化通风系统、消除漏风通道和减少漏风压差、保证合理正常的回采进度,在自然发火期内使自燃带转化为窒息带,就能防止煤自燃的发生.这就要求平时做好各项准备工作,协调搭配,确保回采工作面安全生产.而其工作面的推进速度V 的大小可由下式估算 V ≥L 1L 2/T s 1式中L 1为散热带的宽度;L 2为自燃带的宽度;T s 为自然发火期. 1上式说明,采取措施降低自燃带的宽度以及提高回采速度,使其L 1L 2/V ≤T s ,采空区就无自然发火危险,从而保证工作面的安全回采. 技术方法是防灭火基础,也是最有效的方法之一,它充分体现了以防为主的防火策略.但这种方法必须在充分掌握矿区地质条件、采煤工艺和通风方式的基础上进行,因此,有一定的局限性. 2对于均压防灭火技术,实践证明,均压防灭火是一种最经济、合理的方法,其工艺简单易行,需要人力、物力少,投资少,不污染环境,灾后恢复工程量少,但灭火时间长,全部过程要求经常性的严格管理[4].同时,还必须了解矿井的通风状况,而由于矿井的通风状态随着采掘的交替进行是不断变化的,因此很难充分掌握其漏风状况,这对于均压防灭火的有效性有一定的影响.所以衡量这种方法的有效性就在于为其配备通风均压测量所必备的仪器设备,定期进行井巷的通风阻力测定,掌握矿井通风阻力的分布状况,并配合集中监控系统来实施均压防灭火技术. 3对于采用黄泥灌浆防灭火技术,加强灌浆管理对保证灌浆质量,提高灌浆效果至关重要.其灌浆量由下式确定,同时还应该注意各钻孔灌浆量的分布配匀. Q s k m L H c ,2式中Q s 为灌浆用土量,m 3;k 为灌浆系数,取采煤体积的515;m 为采煤高度,m ;L 为灌浆区走向长度,m ;H 为灌浆区倾斜长度,m ;c 为回采率. Q w K W Q S δ,3式中Q w 为灌浆用水量,m 3;K W 为冲洗管路用水量的备有系数,一般取11101120;δ为水土比率,一般取24. 实践证明,黄泥灌浆防灭火方法经济、实用,因此,在很多矿区都备有这种防灭火设备,但这种方法要求有充足的黄土来源,且对水土比以及泥浆的物理参数有一定的要求.这是影响灌浆质量、防火效果和经济指标的重要参数.在实际使用过程中,水土比是难以控制的,灌浆质量较难得到保证. 4对于氮气防灭火技术,其有效性取决于注氮量与工艺.注氮流量可参照前苏联的经验公式来计算;同时,为节省氮气,提高注氮效果,还需要有火灾检测系统和均压通风等配套措施. Q N c ・q/10-c 4式中Q N 为注氮流量,m 3/min ;q 为采煤工作面风量,m 3/min ;c 为回风巷瓦斯浓度,. 总之,氮气防灭火也是最有效的防灭火措施之一,但其成本较高,且必须确定可靠的注11第1期 贾海林等煤矿内因火灾防治方法及其有效性分析 氮工艺,否则起不到应有的防灭火效果.因此,在实际应用中必须及时科学地测定采空区的散热、自燃、窒息三带的分布,并且还要采取综合措施降低漏风通道,以提高氮气的防灭火效果. 5凝胶防灭火方法是近年来兴起的一种新型矿井内因火灾防治技术,其灭火效率高,但其成本昂贵,而且还会在成胶过程中产生对人有害的刺激性气体,污染井下有限的工作空间.同时,由于注胶要确定出采空区的高温点或火源点,才能取得灭火的成功.然而,采空区火源点位置的探测是一项世界性的技术难题,目前尚无一种经济可靠的采空区火源点位置探测技术及装备,因此很难对症下药.所以其有效性的评价在于看注胶的位置与采空区的高温点或火源点位置的偏差,偏差越小,其灭火成功率越高.因此,此法的推广必须借助于采空区火源点位置探测技术的提高和采空区火源点位置探测装备的研制. 4 结 论 总之,煤自然发火是煤矿生产的重要灾害之一,一旦发火,不但影响矿井的正常生产,损失国家大量煤炭资源和设备,而且严重地威胁着井下职工的生命安全.因此,对煤自然发火,应该采取积极主动的态度去认真对待,有时采用几种防灭火措施相结合的方法以确保矿井的安全生产.参考文献 [1] 李舒伶,任志玲.采场自然发火预测理论研究[C].北京煤炭工业出版社,1998.156-159. [2] 许满贵,徐精彩,文 虎,等.煤矿内因火灾防治技术研究现状[J ].西安科技学院学报,2001,2114- 8. [3] 张国枢,谭允祯,陈开岩,等.通风安全学[M ].徐州中国矿业大学出版社,2000.234-235. [4] 范维唐,叶立贞,孙旭东,等.北京中国煤炭工业百科全书安全卷[M ].北京煤炭工业出版社,2001. 140-142. [5] 杨胜强,张人伟,邸志前,等.煤炭自燃及常用防灭火措施的阻燃机理分析[J ].煤炭学报.1998,236 620-624. [6] 范国强,黄福昌,于德江,等.兖州矿区煤炭生产技术[M ].北京煤炭工业出版社,1998.370-374. 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K ey w ords coal spontaneous combustion ;internal fire ;prevention and extinction technology ;validity analysis. 本文责任编校 李文清 2 1 河南理工大学学报自然科学版 2005年第24卷